Εισαγωγή
Τα πυρίμαχα υλικά είναι απαραίτητα για διεργασίες υψηλών θερμοκρασιών, καθώς προστατεύουν τον εξοπλισμό που χρησιμοποιείται στον χάλυβα, το γυαλί, τα κεραμικά, το τσιμέντο, τη χημική και την ενεργειακή μηχανική από ακραίες θερμοκρασίες, επιθετικές ουσίες και μηχανικές καταπονήσεις. Χρησιμοποιούνται, για παράδειγμα, ως επενδύσεις σε κλιβάνους, αντιδραστήρες και δεξαμενές τήξης. Μια βασική ιδιότητα του υλικού σε αυτό το πλαίσιο είναι η θερμική αγωγιμότητα. Καθορίζει σημαντικά το πόσο θερμότητα μεταφέρεται στο περιβάλλον, επηρεάζοντας άμεσα την ενεργειακή απόδοση της διαδικασίας. Επιπλέον, η θερμική αγωγιμότητα επηρεάζει σημαντικά τις θερμικές καταπονήσεις και, κατά συνέπεια, τη διάρκεια ζωής των υλικών.
Τα πυρίμαχα υλικά είναι ανομοιογενή υλικά που αποτελούνται από μια μήτρα με ενσωματωμένα σωματίδια. Κατά τον προσδιορισμό των θερμοφυσικών ιδιοτήτων, όπως η θερμική αγωγιμότητα, ισχύουν τα εξής: Όσο μεγαλύτερο είναι το δείγμα, τόσο πιο αντιπροσωπευτικό είναι.
Ο προσδιορισμός της θερμικής αγωγιμότητας των πυρίμαχων υλικών αποτελεί πρόκληση για πολλά συστήματα μέτρησης. Αυτό οφείλεται σε δύο παράγοντες: στις σχετικά υψηλές θερμοκρασίες, που συνήθως υπερβαίνουν τους 1000°C, και στην ανομοιογένεια των υλικών.
Μέθοδος και μετρήσεις Συνθήκες
Το LFA 707 StratoFlash® Classic μπορεί να αναλύσει δείγματα με διάμετρο έως και 25,4 mm, ακόμη και σε υψηλές θερμοκρασίες. Η μέθοδος LFA προσδιορίζει κυρίως τη θερμική διαχυτότητα (α) και μαζί με την πυκνότητα (ρ) και την ειδική θερμοχωρητικότητα (Ειδική θερμοχωρητικότητα (cp)Η θερμοχωρητικότητα είναι ένα φυσικό μέγεθος ειδικό για κάθε υλικό, το οποίο καθορίζεται από την ποσότητα θερμότητας που παρέχεται στο δείγμα, διαιρούμενη με την προκύπτουσα αύξηση της θερμοκρασίας. Η ειδική θερμοχωρητικότητα σχετίζεται με τη μονάδα μάζας του δείγματος.cp), η θερμική αγωγιμότητα (λ) υπολογίζεται με τον ακόλουθο τύπο:
Στη μέθοδο LFA, η εμπρόσθια επιφάνεια ενός δείγματος θερμαίνεται με τη χρήση ενός σύντομου ενεργειακού παλμού από ένα λέιζερ. Η αύξηση της θερμοκρασίας στο πίσω μέρος του δείγματος ανιχνεύεται στη συνέχεια από έναν ανιχνευτή υπερύθρων (IR). Στη συνέχεια χρησιμοποιούνται μαθηματικά μοντέλα για τον υπολογισμό της θερμικής αγωγιμότητας με βάση αυτή την αύξηση της θερμοκρασίας.
Η ειδική θερμοχωρητικότητα μπορεί επίσης να προσδιοριστεί όταν το δείγμα αναλύεται μαζί με ένα δείγμα αναφοράς. Η πιο συνηθισμένη μέθοδος για τον προσδιορισμό της ειδικής θερμοχωρητικότητας σε υψηλές θερμοκρασίες είναι η διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης (DSC). Ωστόσο, τα τυπικά μεγέθη δειγμάτων, με διάμετρο 5 mm και πάχος 1 mm, δεν είναι αντιπροσωπευτικά των πυρίμαχων υλικών.
Χρησιμοποιώντας τα δείγματα large του LFA 707 StratoFlash® Classic , με διάμετρο 25,4 mm, είναι δυνατός όχι μόνο ο προσδιορισμός της θερμικής διαχυτότητας, αλλά και της ειδικής θερμοχωρητικότητας σε ένα αντιπροσωπευτικό δείγμα με τη συγκριτική μέθοδο σύμφωνα με το ASTM E 1461.
Οι συνθήκες μέτρησης περιγράφονται λεπτομερώς στον πίνακα 1.
Πίνακας 1: Συνθήκες μέτρησης
| Υλικό | 2 πυρίμαχα υλικά σε βάση MgO- και Al2O2-(πάχος: περίπου 3 mm) |
| Δοχείο δείγματος | Ø 25,4 mm, γραφίτης |
| Πρόγραµµα θερµοκρασίας | RT - 1400°C με 2 θερμάνσεις |
| Μέγεθος δείγματος | Ανάλογα με το υλικό, ένα δείγμα με Ø 25,4 mm και πάχος ~3 mm, επίπεδες παράλληλες επιφάνειες |
| Επικάλυψη | Γραφίτης |
| Αναφορά για Ειδική θερμοχωρητικότητα (cp)Η θερμοχωρητικότητα είναι ένα φυσικό μέγεθος ειδικό για κάθε υλικό, το οποίο καθορίζεται από την ποσότητα θερμότητας που παρέχεται στο δείγμα, διαιρούμενη με την προκύπτουσα αύξηση της θερμοκρασίας. Η ειδική θερμοχωρητικότητα σχετίζεται με τη μονάδα μάζας του δείγματος.cp | Γραφίτης POCO |
| Ατµόσφαιρα | Ar |
| Ρυθμός θέρμανσης | μεταβλητός έως 20 K/min |
| Ενέργεια | 600 V- 600 μs |
Αποτελέσματα και συζήτηση
Στο Σχήμα 1 παρουσιάζεται η ειδική θερμοχωρητικότητα δύο πυρίμαχων υλικών (με βάση το MgO και το Al2O3) σε θερμοκρασίες που κυμαίνονται από τη θερμοκρασία δωματίου έως τους 1400°C. Όπως αναμενόταν, η ειδική θερμοχωρητικότητα αυξάνεται με την αύξηση των θερμοκρασιών. Δεν είναι εμφανής σημαντική διαφορά μεταξύ του πρώτου και του δεύτερου κύκλου θέρμανσης (εντός ±5%). Αυτό αναδεικνύει τη χημική σταθερότητα του δείγματος (δεν παρατηρείται αποσύνθεση ή/και εκτόνωση σε όλο το εύρος θερμοκρασιών).
Στο Σχήμα 2 παρουσιάζεται η θερμική αγωγιμότητα των δύο υλικών, η οποία υπολογίζεται με τον προαναφερθέντα τύπο. Σε αντίθεση με την ειδική θερμοχωρητικότητα, είναι εμφανείς οι σαφείς διαφορές μεταξύ του πρώτου και του δεύτερου κύκλου θέρμανσης. Οι διαφορές αυτές είναι πιθανό να οφείλονται σε δομικές αλλαγές εντός του δείγματος (π.χ. μεταβάσεις φάσης στερεού-στερεού ή/και σχηματισμός μικρορωγμών).
Περίληψη
Το LFA 707 StratoFlash® Classic είναι ιδανικό για τον προσδιορισμό της θερμικής αγωγιμότητας ανομοιογενών υλικών, όπως τα πυρίμαχα υλικά, λόγω του εύρους θερμοκρασιών έως 1600 °C και της ικανότητάς του να φιλοξενεί δείγματα large με διάμετρο έως 25,4 mm. Η συσκευή μπορεί επίσης να προσδιορίσει αντιπροσωπευτικά την ειδική θερμοχωρητικότητα. Η προκύπτουσα θερμική αγωγιμότητα είναι απαραίτητη για το σχεδιασμό και τη διαστασιολόγηση του εξοπλισμού για διεργασίες υψηλών θερμοκρασιών.